Предложенная исследователями структура позволяет концентрировать динамическое электромагнитное поле только внутри самой себя — при этом не излучая энергию в окружающее пространство. Работа является значительным шагом к созданию принципиально новых технических устройств для высокоэффективной беспроводной передачи энергии, высокоточных сенсоров и датчиков, а также для технологии радиочастотной идентификации.

Полина Капитанова и Эсмаил Занганех, соавторы исследования из Университета ИТМО. Фото предоставлено Полиной Капитановой

Исследование проводилось на базе Нового физтеха ИТМО с участием научных групп из Китая, Германии и Австралии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Анапольные структуры

Возможность существования неизлучающих динамических источников электромагнитных волн — то есть таких, которые не транслируют и тем самым не теряют электромагнитную энергию в виде излучения, но при этом концентрируют ее в локальной ближней зоне вокруг самого источника — давно занимает ученых-физиков. Такие системы могут рассматриваться как классические аналоги атомов и поэтому служить строительными блоками искусственных материалов ― метаматериалов с уникальными электромагнитными свойствами. В связи с этим для описания таких систем ученые часто используют понятие «мета-атом».

В основе мета-атома может лежать эффект анаполя, то есть деструктивной интерференции между волнами, испускаемыми электрическими токами различной конфигурации источника. Проблема заключается в том, чтобы получить такие конфигурации, соответствующие анаполю, в требуемом спектральном диапазоне.

Обычно подобные задачи рассматривают в контексте нанофотоники и рассеяния света. Но в новой работе международная группа ученых рассмотрела процесс излучения электромагнитных волн анапольными системами и впервые разработала мета-атом, который не излучает энергию на определенной частоте в микроволновом диапазоне.

«Проект начался полтора года назад. Мы с коллегами предположили, что на основе эффекта анаполя можно создать мета-атом, который бы не излучал энергию в дальнюю зону и позволял концентрировать всю электромагнитную энергию в своей ближней зоне. В основе эффекта анаполя лежит процесс деструктивной интерференции между волнами, излучаемыми источником. При определенной конфигурации составных частей источника можно добиться того, что волны, испускаемые разными частями, компенсируют друг друга в дальней волновой зоне и тем самым подавляют полное излучение», — рассказывает Эсмаил Занганех, аспирант Нового физтеха ИТМО и один из авторов опубликованной работы.

Мета-атомы на эффекте анаполя

В исследовании рассматриваются два вида структуры неизлучающих источников, реализованных на эффекте анаполя.

«В своей работе мы исследовал систему (мета-атом), состоящую из диэлектрического цилиндрического резонатора и возбуждающей точечной антенны. Варьируя определенные параметры системы, мы добились того, что ее размеры стали намного меньше рабочей длины волны, и на определенной частоте мы достигли полного подавления излучения с существенной концентрацией электромагнитной энергии в мета-атоме. Используя разные типы возбуждающих антенн, мы показали, что мета-атом может быть реализован как для электрических, так и для магнитных источников», — комментирует профессор Нового физтеха ИТМО Полина Капитанова.

Как объясняют ученые, два варианта структуры подходят для разных применений в зависимости от того, какой тип полей предпочтителен в области источника, электрические или магнитные. Суперкомпактные неизлучающие источники могут найти широкое применение для создания высокоэффективных беспроводных систем передачи энергии, бесконтактных зарядных устройств, высокоточных радиочастотных сенсоров, датчиков, чиповы и меток, а также устройств медицинского назначения.

Екатерина Шевырёва

Журналист